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纯电动汽车集成式热管理
发布时间:2019-11-21 03:28
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  近年来,全球汽车行业一直致力于开发高效,价格合理,较高行驶里程的电动乘用车,这些乘用车将与化石燃料驱动的同类产品竞争并最终取代它们。在传统内燃机()车辆中,辅助负载(例如机舱和车辆▲●…△部件的加热和冷却)仅占燃料使用的一小部分,因为大部分能量是作为废热而损失。在中,由于高效的★△◁◁▽▼转换率,废热能量非常低,因此辅助负载占能源使用量的很大一部分。中,加热与汽车行驶所需的能量相互竞争,并且在寒冷天气条件下会严重耗尽电池。近年来对收集和再利用废热等。其中一些技术可以结合起来以提高效率,同时降低实施的成本和复杂性。

  以2015款菲亚特(Fiat)500eBEV为研究对象(图1)。这款汽车有三个热循环:

  该车辆具有标准的蒸汽压缩回路,用于车厢空气冷却,并通过制冷剂-冷却液热交换器(battery chiller)为电池提▲=○▼供主动冷却。蒸汽压缩回路使用R-134a制冷剂,包括电动压缩机,标准制冷剂-空气蒸发器和标准热膨胀阀(TXV)。使用位于HVAC模块中的5kWPTC加热器来实现对客舱空气的加热。除了通过chiller主动冷却之外,电池还通过在电池和前端散热器之间回路中循环的冷却液来冷却。该回路具有6 kWPTC冷却液加热器,用于加热电池。图2显示了该车辆中的热回路△▪▲□△的示意图。经过测试,该车辆的行驶里程在-10°C环境温度时为在22°C的45%。

  可以看出,这三个子系统在运行中是相对独立的,用于HVAC系统的的空气电加热方式造成了电池能量的显着消耗,而由电池和PEEM产生的废热则没用被利用起来。

  为了解决上述问题,一款新的热管理(UTEMPRA)系统应运而生。它包括半封闭式制冷回路和用于热能分配和废热收集的冷却液网络。图3显示◆◁•了UTEMPRA冷却液网络,它可以满足菲亚特500e中相▼▼▽●▽●同的热功能。该设计使用两个冷却液泵和阀门歧管,有助于将热能分配给车辆HVAC系统和其他热负载,例如电池,PEEM等。在冷却模式下,冷却剂从chiller输送到HVAC冷却器,用于客舱冷却和除★◇▽▼•湿。当需要时,相同的冷却剂液流能够被分离开以冷却电池。位于车辆前部的前端热交换器(FEX)通常条件下跟ICE汽车中的前端散热器一样,将来自冷凝器的热冷却剂的热量排出到外部空气中。在加热模式下,来自冷凝器的热冷却剂被引导至HVAC加热器以进行客舱加热,同时FEX接收比周围空气更冷的冷却剂,因此从其吸收热量。与HVAC加热器并行地,该冷却剂可以被引导至电池以将其温度保持在范围内。冷却模式类似于标准空调操作,而加热模式作为热泵操作。

  UTEMPRA系统用单个热交换器取代了菲亚特500e的独立冷凝器,电池散热器和PEEM散热器,从而提高了其容量和效率。此外,它消▽•●◆除了对电池和PEEM冷却的单独制冷▼▲和/或冷却液回路的需要。它还消除了对电动空气加热器的需求。这些消除和整合一起减少了制冷剂总量,泵送功率,整体系统质量和成本。与基准车辆系统相比,UTEMPRA的一个特点是客舱预热的速度低于基准车辆的速度,因为后者是PTC◇=△▲加热器直接加热舱内空气,在此系统中首先加热的是中间流体(即冷却液)。这种加热速度是可以接受的,因为在ICE车辆中,发动机预热也需要一定的时间。若在最初几分钟内增大PTC冷却液加热器的功率则会缩短预热时间,而不会显着改变汽车的行驶里程。

  构建UTEMPRA系统的MATLAB /Simulink模型,运用台架校准后的模型来预测各种条件下的系统行为。

  达到机舱目标设定点温度22°C的时间受PTC加热的影响很大。图4(a)显示了PTC加热器的电功率如何影响UTEMPRA系统车辆从-10°C到22°C所需的时间,车辆行驶速度为40 km/h恒速。如果以平均0.5千瓦的PTC热量补充热泵吸取的热量,到达车厢设定温度的时间◇•■★▼将与原始车辆测试中的相同,但能源消耗大约是原始消耗的一半。图4(b)显示了由UTEMPRA系统引起的行驶里程收益的初始估计:假设稳定速度为40 km/h且未对原始车辆或UTEMPRA车辆进行预处理,则在-10°C时UTEMPRA系统车辆要比基准车辆多15.5%。

  以图5所示的MCT循环工况为基础来进行该系统的动态行驶循环仿真,其中修改了怠速和CSC持续时间,但保留了U☆△◆▲■DDS和HFEDS的基本模式。表1和图6为该仿真的结果。

  图6 菲亚特500e原装车辆和采用UTEMPRA系统的车辆的速度曲线°C环境温度,客舱设定值22°C)

  1.汽车行业的发展趋势表明,纯电◆▼动汽车正在进入大众市场,其中一个重要的挑战是由于辅助负载导致的续驶里程减少,其中最重要的是客舱加热和冷却。本文中的研究车辆在-●10℃下的里程损失为45%。

  2.在高效的•□▼◁▼BEV中,重新利用来自电力电子设备,电池等的废热是非常重要的。 UTEMPR○▲-•■□A系统实现了这点。

  3.在严酷的寒冷环境条件下,续驶里程的改善潜▷•●力很大,台架试验校准模型表明该系统可以增加15%-18%的续驶里程。

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